CN101529593B - 具有减少耦合的高填充系数传感器 - Google Patents
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Abstract
一种包括数据和扫描线(124，148)的光电传感器阵列，每个数据线/扫描线对的电路形成在衬底(102)上的底板(110)中。在第一电极扫描线(148)上的开关元件(112)响应扫描信号，把第一终端(106)连接到第二终端(108)。前板(120)上有感应元件(122)显示接收到的激励的大小，还包括电荷收集电极(130)。绝缘层(140)位于底板(110)和前板(120)之间，至少包括第一穿孔(136)，用来连接底板(110)中开关元件(112)的第一终端(106)和前板(120)中感应元件(122)的电荷收集电极(130)。第二穿孔(126)连接开关元件(112)的第二终端(108)和数据线(124)。
Description
技术领域
本发明主要涉及数字射线照相成像，尤其涉及具有在数据电极和传导结构之间提高了填充系数和减小了电容耦合的成像阵列。
背景技术
数字射线照相成像面板使用独立传感器的阵列从闪烁介质(scintillatingmedium)中获取图像，这些传感器按照行列矩阵排列，这样每个传感器提供图像数据的单个像素。
在这些装置中，经常会使用氢化非晶硅(hydrogenated amorphous silicon)(a-Si:H)来形成光电二极管和薄膜晶体管(TFT)开关。图1A显示了现有技术的基于氢化非晶硅的平板成像器中单个成像像素10的横截面(非按比例)。如图1B所示，每个成像像素10有光电二极管70和TFT开关71。
一层X射线转换材料(例如：发光荧光屏12)和光电二极管-TFT阵列相耦合，如图1所示。光电二极管70包含下面这些层：钝化层14，铟锡氧化物层16，p掺杂硅层18，本征(intrinsic)氢化非晶硅层20，n掺杂硅层22，金属层24，电介质层26，和玻璃衬底28。X射线光子路径30和可见光光子路径32也显示在图1A中。当单有X射线被荧光体吸收后，大量的可见光子全向(isotropically)射出，放射出的光只有一部分到达光电二极管并被检测到。
图1B示出了平板成像器80的框图。平板成像器80由传感器阵列81组成，其包含氢化非晶硅n-i-p光电二极管70和TFT开关71的矩阵，以及连接到栅极线83的组(block)的栅极驱动芯片82，以及连接到数据线84和偏置线85的组的读出芯片(没有示出)，其具有电荷放大器86，可选的带有用于减少噪声的可编程滤波的相关双采样电路(没有显示)，模拟多路复用器87，以及模数转换器(ADC)88，用于以希望的速率送出数字图像数据。本领域的人都了解基于氢化非晶硅的间接平板成像器的操作，所以这里仅仅给了一个大概的描述。
入射的X射线光子在荧光屏12被转换成光学光子(optical photon)，接着这些光学光子在氢化非晶硅n-i-p光电二极管70中被转换成电子空穴对。一般而言，一个反向的偏置电压会加载到偏压线85上，从而产生一个穿过光电二极管的电场(并且因此势垒区)并且提高电荷收集效率。光电二极管的像素电荷容量是由偏置电压和光电二极管的电容的乘积所决定的。图像信号是通过光电二极管在相关连的TFT71处于不导通(off)的状态下综合生成的。这是通过将栅极线83维持在负电压来完成的。通过TFT栅极控制电路装置顺序地切换成行的TFT开关71的到导通状态来读出阵列。当通过向对应的栅极线83施加正向电压使某行像素被切换到导通(on)的状态时，来自这些像素的电荷顺着数据线84传送并被外部的电荷敏感放大器86所综合。随后该行又被切换回不导通的状态，这个过程对每一行重复直到整个阵列都被读取出来。外部的电荷敏感放大器86的信号输出通过并行-to-串行多路复用器87被传送到模数转换器(ADC)88，随后产生出数字图像。平板成像器既能够单拍(x光照片)也能够连续(透视)图像获取。
由于传感器的大小以及数据线和其他电极还有导电部分的距离接近，电容耦合是数字射线照相传感器特别关注的问题。除非采取一些校正的措施，否则在测量到的信号大小和数据精度方面，电容耦合会降低感应阵列的性能。现在已经有一些针对这个问题提出的解决方案。例如，美国专利第5,770,871号(Weisfield)描述了在电荷收集电极和数据线之间插入绝缘的抗耦合层。类似的，美国专利第6,858,868号(Nagata等人)描述了在数据和模拟信号电极之间的夹层绝缘薄膜层。美国专利第6,124,606号(den Boer等人)描述了使用低介电常数的绝缘层来减少集电极和开关器件重合部分的寄生电容。美国专利第6,734,414(Street)描述了一种通过特殊的路径模式来读出每列像素的控制信号线的减少信号耦合的方法。
对于多种传统的感应器件，光电传感器设备本身，典型的是光电二极管或者PIN二极管，仅仅占用表面区域的一部分。用来切换光电传感器元件为读取器件的开关器件占据了每个像素相当大的部分。结果就是，传感器器件遭受相对较低的填充系数而只能使用到一小部分荧光屏放射出的光。作为一个例子，美国专利第5,516,712号(Wei等人)描述了每个像素具有并排的光电传感器和开关薄膜晶体管(TFT)元件。最近，把光电传感器堆叠在它们的开关元件之上的设计被采用了，某种程度上提高了效率。例如，美国专利第6,707,066号(Morishita)描述了一种光电检测设备，具有位于切换TFT器件上方的光电二极管，这样更靠近成像设备中的闪烁材料。美国专利第5,619,033(Weisfield)描述了相对于照明路径把光电二极管放在它的开关TFT元件上方的堆叠的设置。
使用紧密堆叠光电传感器和TFT元件具有提高感应阵列的有效填充系数的优点。然而，随着紧密包装而来的是在数据和开关电极之间增加的信号耦合，以及根据Johnson噪音效应增加的热或“暗态”噪声的复杂问题。当成像阵列形成在导通的不锈钢衬底上的时候电容耦合问题甚至会变得更加严重。不锈钢和类似的金属有一些诸如良好的挠性和相对坚固以及重量轻等特性。使用不锈钢衬底可以制造出薄的成像板供射线照相成像使用。然而，电容耦合效应会损害在不锈钢衬底上的板的整体性能。
一种减少热噪声的方法就是增加数据轨迹的导电率，从而减小电阻。这可以通过增加导体的厚度以及选择合适的导电材料来实现。通常用来连接阵列感应电子仪器的导电材料并不是理想的导体，它必须是从有某种限制的材料组中选出来的。代表性的，例如铬会用来连接掺杂硅部件。铝，虽然是更好的导体，但是它有向硅中扩散的趋势，并且在高温下会形成小丘和须型(whisker-type)的瑕疵。这使它在很多半导体设计中不是一个合适的选择。
减少电容耦合效应的技术包括增加导电面之间的分隔距离和减少开关和信号电极之间的绝缘体的有效介电常数。不过现在的制造技术一般会在背板上形成这些金属电极结构，其具有通常仅为几百纳米厚的a-SiN:H的介质隔离层，这导致普遍的更高的耦合，和更高的交扰电平。这也会导致增加层间短路制造瑕疵的可能性。
因此，需要一种既能提供高填充系数来提高效率，同时又能减少阵列器件中控制和信号线之间电容耦合以及交扰的装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有阵列电路的光电传感器阵列，它包括数据线和扫描线，以及对每个数据线/扫描线对的单元电路。每个数据线/扫描线对的单元电路包括：
a)背板，包括：
(i)衬底；
(ii)位于衬底上的第一电极扫描线；
(iii)用于通过将第一终端和第二终端电连接以提供在第一终端和第二终端中传递的电信号，从而响应来自扫描线的扫描信号的开关元件；
b)前板，包括：
(i)一个或多个感应元件用来接收激励以及提供指示出接收到的激励的大小的电信号，该感应元件包括电荷收集电极；
(ii)用来读取电信号的数据线；
c)至少约2微米厚的处于背板和前板之间的绝缘层，至少包括：
(i)形成在背板中开关元件的第一终端和前板中感应元件的电荷收集电极之间的电连接的第一通孔；以及
(ii)形成在开关元件的第二终端和数据线之间的电连接的第二通孔。
本发明的一个优点是它提供了一种具有高填充系数和更低的热噪声以及电容耦合的光电传感器阵列。
本发明的一个特点是它提供了更好的数据，栅极开关和偏压电极之间的隔离。这个发明的设置在使用导电衬底的时候提供了显著减少的耦合。这个发明的装置允许使用更低电阻的数据线以提高导电率，从而减少热噪声。前板和背板以及栅极介质层之间的厚绝缘体有利于减少电容耦合和交扰，也有利于把导电层之间短路的可能性降到最低。
对于本领域的技术人员而言，在结合附图阅读下面的细节描述之后会更加清楚了解本发明的这些和其他一些目的，特点和优点，附图中描述和示出了这个发明的说明性的实施例。
附图说明
虽然说明书以特别指出并区别性地要求保护本发明的主题的权利要求书作为结论，相信通过以下结合附图的描述可以更好地理解这个发明。其中：
图1A是示出了平板成像器中成像像素的横截面图；
图1B是示出了平板成像器的部件的示意图；
图2是根据本发明实施例的像素感应电路的横截面示意图；
图3是示出了在一个实施例中数据和信号电极的具有代表性的位置的一个像素感应电路的俯视图；
图4是示出了寄生电容耦合源的示意图；
图5A是示出了像素的TFT开关元件的横截面示意图；
图5B是示出了在图5A中TFT器件分层结构的俯视图；
图6A是示出了在随后的制造步骤中带有绝缘隔离层的TFT的形成的示意图；
图6B是示出了蚀刻到图6A中绝缘隔离层中的穿孔的位置的俯视图；
图7A是在随后的制造步骤中光电二极管沉积在TFT器件顶上的横截面示意图；
图7B是示出了图7A的步骤中的光电二极管布局的俯视图；
图8A是示出了在随后的制造步骤中穿孔和偏压线的形成的横截面示意图；以及
图8B是示出了图8A的完整的像素感应电路的俯视图。
具体实施方式
本说明是特别针对形成根据本发明的装置部分以及与其直接合作的元件。需要理解的是那些没有被具体示出或描述的元件可以采取本领域的人都知道的各种不同的形式。
参考图2，其示出了根据本发明实施例产生的像素感应电路100的横截面图。电路100形成于其上的衬底102可以是玻璃、塑料，或者无机膜、聚酰亚胺、丙烯酸树脂、苯并环丁烯(BCB)，或者类似的或其它材料，包括不锈钢，例如，涂覆上介质，诸如BCB或旋涂玻璃。电气元件和传感器作为背板110或前板120的一部分被生产出来。绝缘层140把背板110和前板120分隔开。绝缘层140可以是，例如，苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺、溶胶-凝胶的、丙烯酸类(acrylic)，或者一些其它合适的具有低介电常数的材料(例如，SiO2，SiNx以及SiON)。
背板110具有开关元件112，通常是薄膜晶体管(TFT)或类似的器件。相连到扫描线的栅极114启动开关元件112，在终端106和108之间经过沟道116形成一个闭合的电路。掺杂区144和146如图所示设置在沟道116的上方。背板110可以用常规的TFT淀积和蚀刻技术来生成，逐步在衬底102上建立开关元件112的阵列。栅极介质层142使得栅极114绝缘。
前板120具有光电传感器122，一般是的a-Si:H PIN型二极管或者其它的薄膜半导体结构132，具有由透明导电材料制成的顶电极134和用于电荷收集的底电极130。光电传感器122根据接收到的合适的波长的辐射水平提供信号。偏置线128为光电传感器122提供电压偏置。形成第一通孔126从而连接前板120表面上的数据电极124和背板110上开关元件112上的终端106。底电极130的一部分形成连接光电传感器122和背板110上的终端108的另一穿孔136。前板120可以有钝化层104。也可以用可选择的抗反射材料。
可以看出图2的设置允许光电传感器122相对于衬底102的平面堆在开关元件112的上方。这不仅提供了紧密的结构，也有利于增加对于每个像素的填充系数。和更早的使用硅衬底和元件的实施例不同，本发明的装置可以使用导电性更强材料，例如铝，而不是传统使用的弱导电材料，例如铬。例如，穿孔126的使用允许数据线124用铝制造。这很少担心由于金属原子渗透到开关元件112的基体材料中造成部件退化。这在数据电极和硅接触的传统设计中会是一个问题。除此之外，使用本发明的方法，数据线一般是在制造过程的最后形成的，没有后续的高温步骤。这消除了与铝层中小丘和须型瑕疵的高温形成相关的可能存在的可靠性问题，其是已知的造成短路的原因。另外，也可以在这个结构中使用1微米或更高量级的厚铝层。这可以进一步减少数据线的电阻从而减少数据线的热噪声。
图3示出了一个实施例中代表性的数据和信号电极位置的像素感应电路的俯视图。偏置线128、栅极线148和数据线124的附近一般会产生出寄生电容耦合的问题。一般，栅极线和数据线被不超过200到300纳米硅的氮化物隔开但是。这会造成不必要的电容耦合，如图4所示。不过，当使用本发明的结构时，如图2所示，栅极线148在背板110上，和形成在前板120上的偏置线128和数据线124很好地分隔开了。一般分隔的距离最少要大于2微米，本发明中优选是超过3微米，在绝缘层140中使用低介电常数的材料，例如BCB。这样就减少了耦合，同时对制造产量也提供了自然的提高。
参考图4中的横截面图，其中显示了寄生电容的一些潜在的更重要的来源。在数据线124和光电传感器122的底电极130之间存在电容C1。在数据线124和光电传感器122的阳极134之间存在另外一个寄生电容C2。值得注意的是，在这个实施例中，很大程度上由于在数据线124和衬底102之间的绝缘层140的宽度，在数据线124和衬底102之间的寄生电容，如果导通的话，可以被最小化。在数据线124和栅极线148或者偏置线128和栅极线148“交叉”的地方也存在寄生电容。在本发明的设计中这个效应被减轻了，其增加了数据线124和偏置线128的分离。另外，对于衬底102是导体的实施例，在终端106和衬底102之间有寄生电容的另一个来源。
图5A到8B显示了像素感应电路100的各个制造步骤。图5A是示出了背板110的制造步骤中TFT的形成的侧示图。图5B是示出了图5A中TFT器件分层结构的俯视图。在这个步骤，值得注意的是只有栅极线148和它延伸的栅极电极114是作为背板110的元件形成在衬底102上的。如前面已经注意到的，其他的信号线是作为前板120的元件形成。
开关元件112是用TFT形成的，通过把栅极介电层142淀积在栅极电极114上，然后淀积沟道116以及掺杂区域144，146。淀积可以是金属或者其他合适的导电材料的电极106、108，作为背板110制造中的最后步骤。正如电子装置制造领域的人所认识的那样，其他的TFT结构的装置和其他的制造顺序是有可能的。
图6A的侧示图和图6B的俯视图示出了绝缘层140的制造。为了形成绝缘层140，积淀材料，然后蚀刻来暴露出分别和通孔136和126相连的电极106和108，从而提供在背板110和前板120之间的电通讯。或者，感光性的电介质材料诸如感光丙烯酸类(photo-acrylic)或者类似物可以用作电介质层140的选择。在这种情况，通孔126和136可以用类似于光刻的工序来形成。
图7A的侧视图和图7B的俯视图示出了前板120部件的制造。积淀光电传感器122的部件层，和阴极130一起，作为光电传感器122的电荷收集电极，使得一个和开关元件112的终端108通过通孔136连接。通孔126使用金属或其他使得和开关元件112的终端106电连接的导电材料来形成。当光电传感器122是光电二极管的时候，可以用在阴极130的上方形成的n+掺杂层，在n+掺杂层的上方形成的非晶硅层，以及在非晶硅层的上方形成的p+掺杂层来形成。随后阳极134可以形成在p+掺杂层的上方。
图8A的侧视图和图8B的俯视图示出了这个实施例中像素感应电路100的前板120的制造的最后步骤。通孔126连接到延伸至同一列像素中或者传感器阵列中多个像素的感应电路100的数据电极124。数据电极124可以是相对较厚的铝层，具有1微米或更大的量级，或者可以是薄的铜层，例如一个实施例中为0.5微米。作为选择性的，数据电极124可以用一堆金属层来形成，例如，包括铝层或铜层。加入偏置线128用来给光电传感器122的阳极134提供偏置信号。
本发明的一个优点是允许在低温下制造传感器阵列81，包括在100-200摄氏度的范围，简化了生产。这也允许使用更加多种的内部层电介质，使得用标准流程制造平板成像器变得更加容易。例如，使用丙烯酸类作为内部层电介质是显示器LCD生产的标准做法；然而，这种材料类型在成像板上的使用会受到温度的限制。
这里特别参考了一些特定的优选实施例来详细描述这个发明，但是需要了解的是本领域的技术人员可以不违背这个发明的范围而对本发明作出在上述发明，以及所附权利要求书中指出的范围内作出变化和修改。例如，光电传感器122，如图2中或别处显示为PIN二极管，也可以是其它类型的传感器部件或者金属绝缘半导体(MIS)光电传感器。MIS光感应器可以有形成在电荷收集电极上方的栅极电介质，在栅极绝缘体上方形成的非晶硅层，在非晶硅层上方形成的n+层，以及偏置电极。
所以，本发明提供了具有提高了填充系数，更低的数据线电容耦合，以及更低电阻的数据线的金属化的成像阵列，从而提供了减少的噪声和提高的信噪比。
部件列表
10 像素
12 荧光屏
14 钝化层
16 氧化铟锡层
18 硅层
20 氢化非晶硅层
22 硅层
24 金属层
26 电介质层
28 玻璃衬底
30 X射线光子路径
32 可见光光子路径
70 光电二极管
71 TFT开关
80 平板成像器
81 传感器阵列
82 驱动芯片
83 栅极线
84 数据线
85 偏置线
86 放大器
87 多路复用器
88 AD转换器
100 像素感应电路
102 衬底
104 层
106 终端
108 终端
110 背板
112 开关元件
114 栅极电极
116 沟道
120 前板
122 光电传感器
124 数据电极
126 通孔
128 偏置线
130 底电极
132 薄膜半导体结构
134 顶电极
136 通孔
140 绝缘层
142 层
144 掺杂区
146 掺杂区
148 栅极线
Claims (10)
1.包括多个像素感应电路的光电传感器阵列，每个像素感应电路包含：
背板，包含有：
(i)衬底；
(ii)形成在所述衬底上并与多个所述像素感应电路共用的扫描线相连的栅极电极；以及
(iii)开关元件，包括第一终端和第二终端，所述开关元件通过电连接所述第一终端和第二终端来与栅极电极通信以响应来自所述扫描线的扫描信号，从而提供第一电信号在所述第一终端和第二终端间传递；
设置在所述背板上的绝缘层；
前板，包含从靠近所述背板的所述前板的第一侧顺序沉积的多层，所述多层形成：
(i)感应元件，包含所述多层的一个或多个并包括电荷收集电极，所述感应元件设置在所述开关元件的所述第一终端的上面，所述感应元件接收激励并提供指示出接收到的激励的大小的第二电信号；以及
(ii)数据电极，设置在所述开关元件的所述第二终端上方并且包含不同于包含所述感应元件的所述多层的一个或多个的所述多层的至少一个，所述多层的至少一个在包含所述感应元件的多层的全部淀积之后淀积，所述数据电极和多个像素感应电路共用的数据线相连接；
第一通孔，设置在穿过所述绝缘层并形成在所述背板的开关元件的第一终端和所述前板的感应元件的电荷收集电极之间的电连接；以及第二通孔，设置在穿过所述绝缘层并形成在所述背板中的开关元件的第二终端和在所述前板中的数据电极之间的电连接。
2.如权利要求1所述的阵列，其中所述开关元件是薄膜晶体管(TFT)，包括：
a)与所述扫描线电连接的栅极电极；
b)形成于所述栅极电极上方的绝缘体；
c)形成于所述绝缘体上方的非晶硅层；
d)形成于所述非晶硅层上面的两个或多个n+掺杂区；以及
e)与所述n+掺杂区接触的金属电极，形成所述第一和第二终端。
3.如权利要求1所述的阵列，其中所述感应元件是光电二极管，包括：
a)形成于所述电荷收集电极上方的n+层；
b)形成于所述n+层上方的非晶硅层；
c)形成于所述非晶硅层上方的p+层；以及
d)形成于所述p+层上方的导电层。
4.如权利要求1所述的阵列，其中所述感应元件是光电二极管，包括：
a)偏置电极；
b)形成于所述偏置电极上方的p+层；
c)形成于所述p+层上方的非晶硅层；
d)形成于所述非晶硅层上方的n+层；并且
e)其中所述电荷收集电极形成于所述n+层的上方。
5.如权利要求1所述的阵列，其中所述感应元件是金属绝缘体半导体(MIS)光电传感器，包括：
a)形成于所述电荷收集电极上方的电介质；
b)形成于所述电介质上方的非晶硅层；以及
c)形成于所述非晶硅层上方的n+层，并且其中所述像素感应电路还包括：
偏置电极。
6.如权利要求1所述的阵列，其中所述感应元件是金属绝缘体半导体(MIS)光电传感器，包括：
a)偏置电极；
b)形成于所述偏置电极上方的栅极电介质；
c)形成于所述栅极电介质上方的非晶硅层；
d)形成于所述非晶硅层上方的n+层；以及
e)所述电荷收集电极。
7.如权利要求1所述的阵列，其中所述绝缘层是由苯并环丁烯构成。
8.如权利要求1所述的阵列，其中所述绝缘层是由聚酰亚胺构成。
9.如权利要求1所述的阵列，其中所述绝缘层是由溶胶-凝胶构成。
10.如权利要求1所述的阵列，其中所述数据线是由至少0.5微米厚度的铝构成。
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